溫度對高強高韌鋁合金動態(tài)拉伸力學性能的影響研究【畢業(yè)設計】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　溫度對高強高韌鋁合金動態(tài)拉伸力學性能的影響研究</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級

2、 工程力學 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</

3、b></p><p>　　摘要：本文以2024、7075高強高韌鋁合金為研究對象，對高強高韌鋁合金進行了常溫和高溫下的動態(tài)靜態(tài)拉伸實驗，并結合數(shù)值模擬計算，研究高溫度對高強高韌鋁合金的力學性能的影響。</p><p>　　使用SHTB實驗裝置和MTS萬能試驗機對2024、7075鋁合金試樣分別進行不同應變率和不同溫度下的拉伸試驗，獲得了兩種鋁合金材料的應力－應變曲線，討論了應變率和溫

4、度對其力學性能的影響。實驗結果表明：拉伸載荷下，兩種鋁合金的力學性能具有一定的應變率效應，隨著應變率增加，流動應力增加；溫度對兩種鋁合金的力學性能影響明顯， 隨著溫度升高，流動應力降低，較早的進入塑性階段，然后出現(xiàn)頸縮，斷裂現(xiàn)象。</p><p>　　基于實驗結果，擬合2024、7075鋁合金Johnson-Cook本構模型的相關參數(shù)，得到的擬合曲線與實驗曲線吻合較好，并且發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高,較早進入塑性階段,屈服

5、強度有所下降.</p><p>　　3．采用實驗獲得兩種高強高韌鋁合金的Johnson-Cook 本構模型參數(shù)，利用ABAQUS有限元計算軟件開展相關的數(shù)值模擬工作，然后將得到的數(shù)值模擬結果和實驗結果進行對比研究。</p><p>　　關鍵詞：高強高韌鋁合金；溫度；數(shù)值模擬；本構關系</p><p><b>　　Abstract</b><

6、/p><p>　　Abstract：In this paper, the dynamic tension tests experiments under normal temperature and high temperature were performed on the 2024,，7075 high-strength and high-ductility aluminum alloy. By using te

7、nsion test and numerical simulation, the dynamic mechanical properties of high-strength and high-ductility aluminum alloy were studied.</p><p>　　The tension tests of the 2024 7075 alloy under normal temperat

8、ure and high temperature were carried out by using experimental apparatus of SHTB and MTS universal testing machine. The results show that The results show that dynamic tensile mechanical properties of alloy under the hi

9、gh temperature was poor compared with under normal temperature, and it turn into Plastic stage, then The necking, cracking phenomena appear.</p><p>　　Based on the experimental results, the relevant parameter

10、s of constitutive model were obtained. The fitted curves agree with the experimental ones very well. it is found that the alloy under the high temperature will turn into plastic stage early and the initial yield stres

11、s decreases.</p><p>　　This paper intends on the basis of some experts’ study to collect related experimental data, then use ABAQUS finite element calculation procedure to carry out the numerical simulation.

12、Taking the numerical simulation results to compare with the experimental results, this is helpful for further analysis of the experimental results.</p><p>　　Key Words：high strength and high ductility aluminu

13、m alloy; temperature; the numerical simulation; the relevant parameters of constitutive model</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII&l

14、t;/p><p><b>　　目　錄III</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1研究的背景及意義1</p><p>　　1.2研究的概況和現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3研究的基本內容與擬解決的主要問題2</p

15、><p>　　1.3.1 研究的主要內容：2</p><p>　　1.3.2 構建高強高韌鋁合金的塑性本構關系，并獲得材料本構參數(shù)。3</p><p>　　1.3.3 在實驗基礎上，采用ABAQUS程序開展相關的數(shù)值模擬工作。3</p><p>　　2實驗材料選擇與設備原理4</p><p>　　2.

16、1實驗材料的選取4</p><p>　　2.2SHTB和MTS實驗裝置簡介4</p><p>　　2.2.1 SHTB實驗裝置：5</p><p>　　2.2.2 MTS萬能試驗機6</p><p>　　2.3研究的方法與技術路線：7</p><p>　　2.4一維應力下的拉伸實驗8<

17、/p><p>　　2.4.1 準靜態(tài)拉伸8</p><p>　　2.4.2 動態(tài)拉伸實驗10</p><p>　　3實驗結果及分析13</p><p>　　3.1實驗現(xiàn)象及分析13</p><p>　　3.2實驗結果及分析16</p><p>　　3.2.1 7075鋁

18、合金在不同溫度和應變率下的材料性能16</p><p>　　3.2.2 2024鋁合金在不同溫度和應變率下的材料性能17</p><p>　　3.3本構關系19</p><p>　　3.3.1 本構關系介紹19</p><p>　　3.3.2 Johnson-Cook(J-C)模型簡介20</p>

19、<p>　　3.3.3 Johnson-Cook(J-C)模型擬合方法21</p><p>　　3.3.4 Johnson-Cook(J-C)模型擬合結果21</p><p><b>　　4數(shù)值模擬23</b></p><p><b>　　4.1引言23</b></p><

20、;p>　　4.2問題背景23</p><p>　　4.3問題分析23</p><p>　　4.4問題求解24</p><p>　　4.5問題回顧與總結37</p><p><b>　　5結論41</b></p><p><b>　　6展望42</b&g

21、t;</p><p><b>　　參考文獻43</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　研究的背景及意義</b></p><p>　　高強度鋁合金具有強度高，密度低，加

22、工性能好，價格低廉等突出優(yōu)點，是軍事民用領域的主要結構材料。隨著航空航天業(yè)的不斷發(fā)展，強求鋁合金具有更高的比強度，斷裂韌性及抗應力腐蝕的材料性能。近年來材料專家通過設計優(yōu)化合金的成分，采用了新型的制坯方法，成形加工和熱處理工藝，研發(fā)了多種性能更好的超強度鋁合金。</p><p>　　高強度的鋁合金力學響應在許多軍事領域，航空航天，民用工程也都有著重要的應用背景。例如，在航天航空器中，高強高韌鋁合金作為主要的承重結

23、構材料，除了要承受高靜載荷和高疲勞載荷，還常處于一些特殊工況下（例如空間碎片高速撞擊航天器、鳥撞飛機等）和惡劣環(huán)境下（例如航天器返回時，在稠密大氣層中飛行會產(chǎn)生高溫等）。在這些特殊工況和極端溫度環(huán)境下，材料不僅承受強動載荷下的高應變率，同時還會伴隨著有高溫的作用，因此，認識和掌握典型的高強高韌鋁合金材料的力學行為，特別是在溫度、高應變率及其耦合作用下的力學響應是十分必要的。</p><p><b>　　

24、研究的概況和現(xiàn)狀</b></p><p>　　研究材料的動態(tài)拉伸破壞的實驗很多，如常溫下平面靜態(tài)拉伸破壞、單軸動態(tài)拉伸破壞、高溫疲勞破壞、高溫拉伸破壞。其中常溫下的拉伸破壞的實驗易于實現(xiàn)、操作簡單，理論研究分析也較為成熟和它在載荷作用下失效過程中所包含的豐富的內容等眾多優(yōu)點，使它成為人們研究金屬材料拉伸力學性能的主要對象。</p><p>　　2000年，陳鼎等[1]闡述了在低

25、溫下，鋁合金的力學性能隨著溫度的變化規(guī)律，分析其力學性能的變化規(guī)律的機理，同時對極低溫下某些鋁合金的鋸齒現(xiàn)象，特征，形成機理以及力學性能的影響作出了說明。02年，劉繼華[2]利用慢應變拉伸技術和維氏硬度計研究了7075鋁合金以不同制度時效、回歸處理后的強度和應力腐蝕斷裂行為，得到7075鋁合金的強度，硬度與時效溫度有著密切的關系。同一年，李紅英[3]對高強高韌鋁合金的發(fā)展和對組織性能進行全面的評述，提出了斷裂韌性和應力腐蝕的影響因素。2

26、008年，李春梅[4]等用拉伸試驗來研究不同固溶和時效工藝處理后7055鋁合金的力學性能，并結合顯微組織分析，得到復合固溶（雙級）和特殊時效處理新工藝比傳統(tǒng)熱處理工藝更合理，可使鋁合金獲得超高強、超高韌的有效結合，并確定了最佳工藝方案。</p><p>　　以上的研究都是在常溫條件下進行的的研究，沒考慮應變率與溫度對其的影響。對于溫度和應變率對鋁合金的力學性能的研究，也有不少的學者進行了研究。賈江瀅等[5]通過拉

27、伸試驗研究了加速載荷在1mm/min,10mm/min,100mm/min以及200mm/min范圍內6020鋁合金材料的力學性質，得到隨著加載速率的增加，無論是屈服強度還是抗拉強度都有一定的提高，材料的塑性有了一定的下降。根據(jù)其試驗結果確定了實驗鋁合金的本構關系。同年，王金鵬[6]等利用SHTB系統(tǒng)對2024鋁在不同溫度下和不同應變率條件下的動態(tài)力學行為開展了一系列的實驗研究，并建立了2024鋁的塑性本構關系。在2008年，Woei-

28、Shyan Lee等[7]研究了不同應變率及不同溫度對7075鋁合金的變形行為和組織演變的影響，得到材料應力-應變曲線與測試應變率和溫度有著敏感的關系。同年，H.E. Hu[8]研究了在不同溫度（340,380,420,460OC）下7050鋁合金的微觀組織演變過程。王永剛，王禮立[9]等亦研究了沖擊加載下LY12鋁合金的動態(tài)屈服強度和層裂強度與溫度的相關性。</p><p>　　此外，還有學者對在低溫對鋁合金的

29、力學性能的影響方面進行了研究，陳鼎與陳振華[10]在2000年的時候研究了在低溫和極低溫下鋁合金的物理性能和力學性能，并得到了如鋁合金在低溫條件下提高拉伸性能，改善韌性性能結論，疲勞強度隨溫度的降低而提高等十分具有價值的結論。劉瑛[11]等人利用拉伸測試、掃描電鏡與投射電鏡等手段研究了3種高強鋁合金（2519-T87、2219-T81以及7039-T6三種鋁合金板材）得到當變形溫度由室溫293k降至77k是，伸力學性能，三種鋁合金的屈服

30、強度與抗拉強度均有所提高。同時還得到3種合金的伸長率隨著溫度降低有所提高。</p><p>　　研究的基本內容與擬解決的主要問題</p><p><b>　　研究的主要內容：</b></p><p>　　本文采用的是高強高韌的2024、7075鋁合金試樣來進行高強高韌鋁合金的拉伸力學行為實驗。實驗內容組要有兩部分：</p><

31、;p>　　a、采用MTS萬能試驗機在準靜態(tài)條件下研究高強高韌鋁合金的拉伸力學行為，關注溫度的影響。</p><p>　　b、采用SHTB裝置在動載荷條件下研究高強高韌鋁合金的拉伸動態(tài)力學行為，關注溫度和應變率的影響。</p><p>　　構建高強高韌鋁合金的塑性本構關系，并獲得材料本構參數(shù)。</p><p>　　在實驗基礎上，采用ABAQUS程序開展相關的數(shù)值

32、模擬工作。</p><p>　　實驗材料選擇與設備原理</p><p><b>　　實驗材料的選取</b></p><p>　　本文主要的工作是研究溫度對鋁合金的拉伸動態(tài)性能的影響，我們選取的是具有較高強度、較高韌性的金屬材料7075、2024鋁合金。</p><p>　　其中，7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，強度高

33、，商業(yè)用途廣泛的合金。應用于航天航空領域、塑焊模具、模具加工。其主要成分為</p><p><b>　　余下為鋁Al</b></p><p>　　力學性能：抗拉強度≥560 MPa 伸長應力≥495 MPa 彈性模量 71 GPa</p><p>　　特點有：1.高強度可熱處理合金，2.機械性能良好，3.良好的可使用性，4.易于加工，

34、耐磨性好，5.抗腐蝕性能、抗氧化性好。</p><p>　　2024鋁合金為一種高強度硬鋁。主要用途有用于制作各種高負荷的零件和構件如飛機上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘?shù)裙ぷ髁慵Ｖ饕煞譃?lt;/p><p><b>　　余下為鋁Al</b></p><p>　　力學性能：抗拉強度 ≥390 MPa 條件屈服強度 ≥245 MPa&l

35、t;/p><p>　　特點有：可進行熱處理強化，在淬火和剛淬火狀態(tài)下塑性中等，具有良好的焊接功能。合金在淬火和冷作硬化后具有較好切削性能，但抗腐蝕性不高，常采用陽極氧化處理與涂漆方法或表面加包鋁層以提高其抗腐蝕能力。</p><p>　　SHTB和MTS實驗裝置簡介</p><p><b>　　SHTB實驗裝置：</b></p>&l

36、t;p>　　金屬材料的動態(tài)拉伸力學性能的研究越來越受到人們的重視。為了這方面的研究，人們?yōu)闇y量材料動態(tài)力學拉伸性能，相繼提出了一些專門的加載裝置。SHTB因實驗結果簡單，價格低廉等優(yōu)點得到的廣泛的運用。</p><p>　　SHTB采用高速套筒（子彈）撞擊入靶（射桿的突出邊沿），在入射桿內形成拉伸應力波（入射波）。試樣在入射桿和透射桿之間，一般采用的螺紋或強力膠固定，在前方合理的位置放置吸收桿,吸收塊。在子

37、彈撞擊入射桿后，在入射桿上形成應力波。當波傳給試樣后，一部分不發(fā)射回來形成反射波。而另一部分波繼續(xù)向前傳播，在透射桿上形成了透射波。實驗裝置如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1為SHTB實驗裝置</p><p>　　其中入射桿、透射桿、吸收桿直徑均為19mm，長度分別為1.5m、1.5m、1m。該實驗采用的是半導體應變片，普通應變片，用類似SHPB實驗相類似的實驗數(shù)據(jù)處理方法，來

38、得到動態(tài)材料的拉伸性能。拉伸時間的工程應力，工程應變和應變率為</p><p>　　s(t)=A0/As*E* </p><p>　　εs(t)=-2c0/ls*dt </p><p>　　d()=-2c0/ls* </p><p>　　式中，E和A0分別為桿的楊氏模量和橫截面的面積；c0為桿中彈性波速度；ls和As分別為試樣的厚度和橫截面積

39、</p><p><b>　　MTS萬能試驗機</b></p><p>　　MTS 萬能試驗機是一種進行動態(tài)和靜態(tài)的微力測試儀器?？梢詫饘俨牧稀⑸锊牧?、部件以及成品進行各種測試。</p><p>　　主要功能：能對金屬、非金屬材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切等疲勞試驗、斷裂試驗項目，檢測設備還可存儲、輸出打印試驗參數(shù)、試驗數(shù)據(jù)、試驗結果、應力

40、應變曲線的功能。 其特點有 ：</p><p>　　功能多樣 -- 只需安裝在標準實驗臺上便能完成各種靜態(tài)、動態(tài)試驗。 </p><p>　　靈活性 -- 按照實驗者的需要來選擇控制載荷力。</p><p>　　精確性--激光校準提高了軸向對中精度,減少試件在橫梁最高位置處的彎曲 </p><p>　　高效性 --可選擇式單元安裝部件控制模塊

41、的速度橫梁定位及試件的安裝。 </p><p>　　模塊化設計 -- 根據(jù)實驗者的需求做動缸、伺服閥和分油器配置系統(tǒng)，還有橫梁升降，橫梁液壓鎖緊部分，及其它附件。</p><p>　　圖2.2 MTS萬能試驗機</p><p>　　研究的方法與技術路線：</p><p><b>　　試樣溫控裝置：</b></p&

42、gt;<p>　　對于高溫，可以通過在常規(guī)SHTB系統(tǒng)的基礎上增加加溫系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等，示意圖如圖2.3：</p><p><b>　　圖2.3</b></p><p>　　對試件采用電加熱,即設計了一個內置電爐。加熱爐由保溫材料和加熱線圈組成,并適當設計導桿出入口大小及導桿位置,盡量減少電爐內外的熱交換,使熱量集中于電爐內部,完成對試件的加熱。<

43、/p><p>　　圖2.4 SHTB中的加熱裝置（從左往右依次為變壓器，溫控裝置，加熱裝置）</p><p><b>　　實驗設計:</b></p><p>　　在MTS萬能實驗機上進行高強高韌鋁合金在準靜態(tài)加載和不同溫度條件下（應變率約為10-3/s）的拉伸試驗，來研究高強高韌鋁合金在準靜態(tài)下的拉伸力學行為，及其對溫度的依賴性。</p&

44、gt;<p>　　在分離式Hopkinson系統(tǒng)中開展不同溫度條件下以及不同應變率條件下高強高韌鋁合金動態(tài)拉伸試驗，研究高強高韌鋁合金的力學行為，揭示溫度和應變率對其力學性能的影響規(guī)律。</p><p>　　一維應力下的拉伸實驗</p><p>　　近年來也有專家、學者對高強高韌鋁合金的力學性能進行研究, 但這些研究主要集中在對常溫下的準靜態(tài)實驗或動態(tài)壓縮試驗的結果分析, 而

45、其在高溫、動態(tài)拉伸條件下材料力學性能的研究并不多見。</p><p><b>　　準靜態(tài)拉伸</b></p><p>　　利用MTS試驗機對高強高韌的鋁合金樣品在準靜態(tài)（10-3至10-2s-1）不同溫度下進行拉伸試驗，實驗采用的是2024、7075高強度鋁合金，其試件設計成亞鈴型，具體尺寸如圖表2.5a和2.5b所示。對2024、7075鋁合金進行了多次拉伸實驗，對

46、重復性較好的實驗數(shù)據(jù)取平均值。</p><p>　　圖2.5a 7075鋁合金MTS萬能試驗機靜態(tài)拉伸試樣及數(shù)據(jù)</p><p>　　圖2.5b 2024鋁合金MTS萬能試驗機靜態(tài)拉伸試樣及數(shù)據(jù)</p><p><b>　　動態(tài)拉伸實驗</b></p><p>　　動態(tài)拉伸實驗在SHTB實驗機上進行的， 該次實驗

47、試樣采用的是2024、7075鋁合金，其試樣設計成兩端帶有螺紋的圓柱形，具體尺寸如圖表2.6a和2.6b所示。</p><p>　　圖2.6a 7075鋁合金SHTB動態(tài)拉伸試樣尺寸數(shù)據(jù)</p><p>　　圖2.6b 2024鋁合金SHTB動態(tài)拉伸試樣尺寸數(shù)據(jù)</p><p>　　在常溫下，對2024、7075兩種鋁合金試樣分別進行動態(tài)拉伸實驗，每種情況的

48、實驗重復3次，對重復性較好的2次取均值。</p><p>　　在不同溫度下，對7075高強進行拉伸實驗。每種情況的實驗重復3次，對重復性較好的2次取均值。</p><p><b>　　實驗結果及分析</b></p><p><b>　　實驗現(xiàn)象及分析</b></p><p>　　2024和7075鋁

49、合金在準靜態(tài)和不同應變率下的變形情況有所不同。從圖3.1和圖3.2中可以看出，動態(tài)與準靜態(tài)條件下試件斷裂的位置一般發(fā)生在試件的中部，如果出現(xiàn)斷裂位置靠近一端的試件，可能是由于試件加工的問題。</p><p>　　圖3.1 7075鋁合金斷裂圖（上為動態(tài)實驗試樣，下為靜態(tài)實驗試樣）</p><p>　　圖3.2 2024鋁合金斷裂圖（上為動態(tài)實驗試樣，下為靜態(tài)實驗試樣）</p&g

50、t;<p>　　觀察7075鋁合金試樣的三維斷口形貌（圖3.3）。從中可以發(fā)現(xiàn)：在準靜態(tài)拉升破壞中，其破壞形式主要為剪切破壞。在高硬變率下的破壞，以拉伸，剪切破壞為主。</p><p>　　圖3.3 高應變率下和準靜態(tài)下7075鋁合金試樣斷口的三維圖</p><p>　　觀察不同溫度下7075鋁合金試樣斷口形狀三維圖（圖3.4）可以得到：鋁合金高溫的斷裂破壞與常溫下的斷裂破壞

51、形式相比較，高溫下鋁合金試驗破壞形式中拉伸破壞更加明顯。</p><p>　　圖3.4 7075鋁合金在高應變率不同溫度下（左為200OC，右為常溫）斷口圖</p><p><b>　　實驗結果及分析</b></p><p>　　7075鋁合金在不同溫度和應變率下的材料性能</p><p>　　圖3.5所示7075高強度

52、鋁合金在相同應變率下、不同溫度的動態(tài)拉伸的應力應變曲線。從圖中可以得到，高強度鋁合金試樣的應力應變曲線規(guī)律：應變率相同，試樣接近常溫時，屈服強度較大，楊氏模量較高。</p><p>　　圖3.5 7075鋁合金在常溫, 200OC和250OC下的應力應變比較曲線圖</p><p>　　在相同溫度下，有動態(tài)拉伸和靜態(tài)拉伸的應力曲線圖比較（圖3.6），從中可以得到動態(tài)下試樣的曲線總體上比靜態(tài)下

53、的要陡，這說明試樣在動態(tài)條件下的應變硬化效果要比靜態(tài)下的明顯。而高應變率的情況下, 屈服強度與準靜態(tài)的下的屈服強度有所增加.</p><p>　　圖3.6 7075鋁合金在相同溫度下動態(tài)拉伸與準靜態(tài)拉伸下應力應變曲線相比較圖</p><p>　　2024鋁合金在不同溫度和應變率下的材料性能</p><p>　　以上均為7075鋁合金在不同溫度，不同應變率下材料的力

54、學性能。2024鋁合金與7075鋁合金相比較，除在屈服強度上有所下降之外，其余性能與7075鋁合金的材料力學性能相同。以下給出2024鋁合金在不同溫度，不同應變率下的材料特性對比圖（圖3.7和圖3.8）。</p><p>　　圖3.7 在相同應變率下，不同溫度下的2024鋁合金的應力應變曲線</p><p>　　圖3.8 在相同溫度，不同應變率下的2024鋁合金的應力應變曲線圖</p

55、><p><b>　　本構關系</b></p><p><b>　　本構關系介紹</b></p><p>　　材料在高應變率下變形的拉伸力學性能與靜態(tài)作用下的力學響應有所不同。沖擊載荷在時間歷程上有顯著的變化，所以在承受沖擊載荷作用下，材料的變形就會在高應變率下發(fā)生。研究結果表明，高應變率加載下材料的力學性能與材料性質及溫度有

56、一定的關系。大多數(shù)金屬與合金材料的應力會隨著應變率增加而提高，表現(xiàn)出應變率強化效應[11-13]。對于材料力學性能的研究，重點就是建立能夠描述材料在材料變形情況下的力學性能本構關系，及其相對的應變率相關性。</p><p>　　本構關系是指能夠描述材料力學性質的數(shù)學關系。自然界中材料種類很多,它們的材料力學性質也是各不相同的。其本構關系可以描述它們的力學性質。在工程力學中，應力-應變關系是研究本構關系的重點，這是

57、因為它反映了材料的具體特征。</p><p>　　影響材料本構關系的因素復雜，如材料的力學、溫度物理性質等，通常采用某些宏觀參量和微觀參量來描述這種關系，常用的宏觀參量有粘性系數(shù)和楊氏模量，微觀參量有位錯密度、位錯運動速度等等。眾所周知，材料在動載荷（高應變率）下的力學性能是很復雜的，本構方程的數(shù)學表達式在材料的不同的變形階段，表現(xiàn)不同。因此，到現(xiàn)在為止，還沒有一個統(tǒng)一有效的本構關系來作為研究動載荷（高應變率）作

58、用下材料力學性能的有效手段，僅僅能在某些特定條件下確定其本構模型。</p><p>　　為了確定材料的本構關系，一般需要做大量的實驗來確定，再結合先前提出的數(shù)學表達式和力學模型來完成本構關系的建立。在這方面，很多學者專家做了很多工作，也提出了不少本構模型，但到目前為止還沒有一個適用于一切材料力學性能而又有明確的物理基礎的本構方程，尤其是用來描述動載荷（高應變率）作用下的應力-應變關系。</p>&l

59、t;p>　　所謂理想的材料本構關系是能夠描述材料的應變率效應、溫度效應、應變和應變率歷史效應以及加工硬化等材料力學性能。但要完全描述上述所有這些現(xiàn)象將會是一個非常艱巨的工作，所以適當進行簡化材料的本構關系是很必要的。研究沖擊載荷作用下材料的力學性能問題，人們更加重視研究溫度對材料在高應變率作用下力學性能的影響。 </p><p>　　一般熱粘塑性本構模型包含應力、應變、應變率和溫度四項元素，可以分為兩種類型

60、：一是Johnson-Cook(J-C)模型[14] ，這是經(jīng)驗性的本構模型；二是Z-A模型，這是半經(jīng)驗半理論的本構模型。這兩種本構模型都考慮了溫度和應變率對屈服應力的影響以及應變強化效應，但具體表達方式則有所區(qū)別，尤其對應變強化行為的處理。結合本文研究的實際情況，在此將重點討論Johnson-Cook(J-C)模型。</p><p>　　Johnson-Cook(J-C)模型簡介</p><

61、p>　　數(shù)值模擬計算在許多重要的沖擊工程應用中有著廣泛的應用，數(shù)值計算程序中得到的計算結果受到材料的本構關系影響很大。數(shù)值計算的本構關系應該滿足以下三個條件：第一，本構關系能夠準確描述相應的材料物理過程；第二，本構關系在數(shù)學計算上應易于實現(xiàn)，并且能夠較容易引入一些數(shù)值計算程序；第三，本構關系的確定應該比較簡單方便，本構關系中的材料參數(shù)能通過一些簡單的實驗得到。[15]</p><p>　　在1983年提出了

62、一個本構關系(Johnson-Cook(J-C)模型)能較好地描述金屬材料的加工硬化效應、應變率效應和溫度軟化效應。由于這種本構關系形式簡單，使用比較方便，通過較少次數(shù)的簡單的實驗就可以確定其中的材料參數(shù)，這一本構關系模型得到了廣泛的應用。過去，Johnson-Cook(J-C)本構關系模型是為了數(shù)值模擬計算而建立，在大多部分的數(shù)值計算程序中已經(jīng)具備所需要的變量，因此這種本構關系模型十分適用于材料的力學性能數(shù)值模擬計算。在很多重要的材料

63、沖擊工程中，它得到了廣泛的應用。在Johnson-Cook本構模型中，流動應力的表達式如下</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　其中為Von MISES 流動應力；為等效塑性應變；為無量綱的相對等效塑性應變率；為參考應變率，一般取為1.0/s；為實際應變率；無量鋼化溫度，其中為實際溫度，為室溫(298K)，為材料的熔點溫度；其它五個參數(shù)

64、、、、和均為材料常數(shù)，需要根據(jù)應力應變關系實驗曲線來擬合。</p><p>　　Johnson-Cook(J-C)模型擬合方法</p><p>　　使用靜態(tài)數(shù)值，動態(tài)數(shù)值對Johnson-cook指數(shù)進行模擬</p><p><b>　　A 參數(shù)A 的確定</b></p><p>　　A 為在參考應變率，室溫狀態(tài)下材料的

65、屈服強度.可以從實驗曲線中直接讀出.</p><p>　　B 參數(shù)B 和η 的確定</p><p>　　在準靜態(tài)或靜態(tài)及室溫時，材料主要存在應變強化效應，可以排除應變率強化和熱軟化的影響.利用最小二乘法來擬合B ， n式(3.3)可以寫為</p><p>　　σ =A 十Be". </p><p>　　式中表示在參考應變率下材料的應

66、力應變關系.擬合可以通過MATLAB 語言編寫程序完成，也可以通過Origin 的非線性擬合來完成.[16]</p><p>　　C 參數(shù)C 和m 的確定</p><p>　　利用高應變率下的數(shù)據(jù)進行應變率硬化指數(shù)C和熱軟化系數(shù)m 的確定.采用估算絕熱溫升的辦法，然后利用編制的ORIGIN程序，用最小二乘法的思想，利用Hopkinson 動態(tài)數(shù)據(jù)來擬合C 和m。根據(jù)最小二乘法原理和流程編

67、寫ORIGIN程序即可求得C ， m.</p><p>　　Johnson-Cook(J-C)模型擬合結果</p><p>　　采用MATLAB軟件中的非線性最小二乘法擬合功能，對試樣在拉伸實驗中的應力應變曲線作非線性擬合，得到的各晶粒度樣品的本構參數(shù)。</p><p>　　7075鋁合金的J-C本構關系參數(shù)</p><p>　　以下為202

68、4鋁合金在準靜態(tài)常溫下實驗得到的應力應變曲線和用Johnson-cook模擬的曲線作比較。</p><p>　　模擬得到的應力應變與實驗得到的應力應變曲線比較圖</p><p>　　利用得到的本構參數(shù)對7075鋁合金的應力應變曲線進行計算，并且與實驗結果進行比較，如圖所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，計算結果與實驗結果基本吻合，我們采用的本構方程可以用來描述其本構關系的。</p><

69、;p><b>　　數(shù)值模擬</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　ABAQUS 被認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復雜的固體力學結構力學系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題。 ABAQUS 不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。 ABAQUS 的系

70、統(tǒng)級分析的特點相對于其他的分析軟件來說是獨一無二的。由于優(yōu)秀的分析能力和模擬復雜系統(tǒng)的可靠性使得其被各國的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。 ABAQUS 產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。</p><p><b>　　問題背景</b></p><p>　　高強度的鋁合金在動態(tài)拉伸作用下的動態(tài)響應在許多民用工程，航天航空，軍事領域也都有著重要的應用背景。如桿件的

71、拉伸破壞，滅火器殼的拉伸成型、螺栓加載拉伸試驗。本文在專家學者研究成果的基礎上，搜集相關模型參數(shù)，進行數(shù)值模擬研究，將結果與實驗結果進行對比，得出相關結論。</p><p><b>　　問題分析</b></p><p>　　本文的模型比較簡單，共有五個部件組成，分別為入射桿、透射桿、試樣、子彈、銅片（整形器）。本模型采用的是軸對稱、顯示、動態(tài)分析，入射桿與試樣之間和試

72、樣與透射桿之間采用的是固定連接（tie），而子彈與銅片之間和銅片與入射桿之間采用的是面對面接觸（surface to surface）.</p><p>　　分析模型的量綱系統(tǒng)采用SI標準，即長度：m，質量：kg，時間：s，其他量綱由此可以推出。整體模型的屬性詳見表4.1。</p><p>　　表4.1 整體模型的屬性</p><p><b>　　

73、問題求解</b></p><p>　　Hopkinson拉桿的ABAQUS模型分析步驟：</p><p>　　Step1 創(chuàng)建模型（part）</p><p>　　a.啟動ABAQUS/CAE，創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫模型，命名為s h t b，模型保存為shtb.cae。從Module列表中選著part，進入part模塊。點擊parts圖標，打開create

74、 part對話框，設置第一個部件：name為rushegan（入射桿），modeling space 為axisymmetric（ 軸對稱模型），type為deformable(變形體)，base feature 為shell(殼體)。Approximate size為2。單擊continue按鈕，進入草繪模型，以（0,0），（0.01,1）為對角線端點畫出一個矩形，單擊提示區(qū)的done按鈕，單擊ok按鈕，生成了入射桿的模型。如圖4.

75、1。</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　b.建立入射桿上的靶模型，即入射桿端部突出的邊緣。點擊parts圖標，打開create part對話框，設置第一個部件：name為ba（靶），modeling space 為axisymmetric（ 軸對稱模型），type為deformable(變形體)，base feature 為 shell

76、(殼體)。Approximate size為0.1。單擊continue按鈕，進入草繪模型，以（0,0），（0.02,0.01）為對角線端點畫出一個矩形，單擊提示區(qū)的done按鈕，單擊ok按鈕，生成了靶的模型。如圖4.2。</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p>　　c. Copy 入射桿模型，建立透射桿模型 命名為toushegan</p

77、><p>　　d．創(chuàng)建子彈模型，即管狀套筒。重復入射桿創(chuàng)建過程，將其中的Approximate size改為0.5；進入草繪模型后以（0.012,0），（0.018,0.4）畫出一個矩形，單擊done單擊ok。如圖4.3。</p><p><b>　　圖4.3</b></p><p>　　e．銅片的創(chuàng)建，即整形器創(chuàng)建。重復入射桿創(chuàng)建過程，將其中的A

78、pproximate size改為0.02；進入草繪模型后以（0.012,0），（0.018,0.004）畫出一個矩形，單擊done單擊ok。創(chuàng)建完成后的模型如圖4.4所示。</p><p><b>　　圖4.4</b></p><p>　　f．試樣的創(chuàng)建：重復入射桿的入射桿的創(chuàng)建過程。將其中的Approximate size改為0.05，單擊continue后，進入

79、草繪模型。單擊工具箱中的create lines，過以下點創(chuàng)建一條封閉的曲線：（0,0），（0,0.024），（0.005,0.024），（0.005,0.019），（0.003,0.019），（0.003,0.005），（0.005,0.005），（0.005，0）。創(chuàng)建倒圓角：單擊倒圓角按鈕，在提示欄中填寫倒圓角的半徑為0.02選著所要倒圓的兩條直線（（0.005,0.019），（0.003,0.019）創(chuàng)建的直線和，（0.003,

80、0.019），（0.003,0.005）創(chuàng)建的直線）單擊ok按鈕，即可生成倒圓角。同理，創(chuàng)建（0.003,0.019），（0.003,0.005）創(chuàng)建的直線和（0.003,0.005），（0.005,0.005）創(chuàng)建的直線之間的倒圓角。單擊done按鈕，生成試樣模型。創(chuàng)建完成后的模型如圖4.5所示。</p><p><b>　　圖4.5</b></p><p>　　S

81、tep2 定義材料特性（property）</p><p>　　本次拉伸實驗用到了三種材料（銅，鐵，鋁）的不同構件，應分別創(chuàng)建的材料屬性。首先，創(chuàng)建銅的材料屬性：從module列表中選擇property，進入property模塊后，單擊工具箱中的create material,創(chuàng)建一個名稱為cu的材料屬性，密度為8960，楊氏模量為93e9,泊松比為0.34，塑性變形中的Johnson-cook系數(shù)（具體內容詳見

82、第三部分Johnson-cook模型）見圖4.6。單擊工具箱中的create section，創(chuàng)建一個名字為cu的均勻實體截面，材料使用的是cu，單擊工具箱中的assign section，把截面屬性賦給部件tong pian。</p><p>　　圖4.6 銅的Johnson-cook系數(shù)</p><p>　　其次創(chuàng)建鐵的材料屬性?；静襟E跟創(chuàng)建銅的材料屬性相同。其中鐵的材料特性為：密

83、度為7800，楊氏模量為210e9，泊松比為0.3。創(chuàng)建好鐵的截面屬性后，將其分別部件 rushegan, toushegan, zidan和ba。</p><p>　　最后創(chuàng)建鋁的材料屬性：創(chuàng)建步驟重復cu的創(chuàng)建過程。其中鋁的材料特性為：密度為2780，模量為71e9，泊松比為0.33.塑性變形中的johnson-cook系數(shù)見圖4.7。創(chuàng)建好截面屬性后，將其賦給部件shiyang。</p>&l

84、t;p>　　鋁的Johnson-cook系數(shù)</p><p>　　Step3 定義部件裝配(assembly)</p><p>　　從module列表中選擇assembly，進入assembly模塊，單擊instance part 選擇部件rushegan，toushegan，shiyang，zidan，ba，tongpian。在type項中選擇dependent 單選按鈕。<

85、;/p><p>　　在assembly模塊點擊translate instance 進入平移裝配截面（以ba部件為例，其余部件類似）。選擇要平移的部件ba。單擊done后，選擇初始點，部件ba的矩形的左上角的頂點（0,0.01），再選擇第二個點（即所要平移到的點）（0,0）單擊ok。</p><p>　　所有部件裝配完成的模型如圖4.8,4.9所示。</p><p>

86、　　圖4.8 試樣與入射桿和透射桿之間的裝配圖</p><p>　　圖4.9 入射桿與靶，靶與銅片，銅片與子彈之間的裝配圖</p><p>　　Step 4 定義分析步 （step）</p><p>　　從module列表中選擇step，進入step模型，單擊工具箱中create step創(chuàng)建一個名為sptb的顯示動態(tài)分析步，將其中的nlgeom設置為o

87、n，time step 為0.0006（Hopkinson拉伸時間一般只有500微秒）。</p><p>　　執(zhí)行output->field output->manager 進入了場分析步編輯模塊，將其中的分析步增量改為500，單擊ok，完成定義分析步。</p><p>　　Step 5 定義接觸（interaction）</p><p>　　從mod

88、ule列表中選著interaction，進入interaction模塊，執(zhí)行interaction create進入創(chuàng)建接觸編輯界面，輸入名稱為ba-tongpian ，選擇面面接觸（surface to surface contact （explicit））單擊continue。在編輯接觸的對話框中，創(chuàng)建一個接觸屬性， 取其默認的選項，單擊ok。出現(xiàn)選著第一個表面命令行，選擇銅片的下表面，單擊ok。在命令行中點擊surface 選著

89、第二表面，模型中為靶的上表面，單擊done，完成靶與銅片的面面接觸。執(zhí)行相同的步驟，定義子彈與銅片的面面接觸。如圖4.10</p><p><b>　　圖4.10</b></p><p>　　創(chuàng)建固定接觸（tie）：點擊constraint manager->create,彈出create constraint對話框，命名為rushegan-ba，選著 tie類

90、型，單擊continue。在命令行中單擊surface，選擇第一個表面，在模型中為靶的上表面，單擊done。再次單擊命令行中的surface，選擇第二個表面，在模型中為入射桿的下表面，單擊done，完成靶與入射桿的固定連接。試樣與入射桿之間的連接和試樣與透射桿之間的連接性，可以執(zhí)行與創(chuàng)建靶與入射桿之間的連接步驟。定義完連接后模型如圖4.11,4.12。</p><p>　　圖4.11 靶與入射桿之間的連接&l

91、t;/p><p>　　圖4.12 入射桿與試樣之間的連接和試樣與透射桿之間的連接</p><p>　　Step 6 定義邊界條件與載荷(load)</p><p>　　從module列表中選著load模塊，單擊predefined field manager，在出現(xiàn)的對話框中單擊create，命名為zidansudu，在step中選擇initial ，categor

92、y中選擇mechanical，type for selected step 中選著velocity，單擊continue，選擇子彈作為其速度的載體，單擊ok，在彈出的對話框中輸入v2=-10。完成載荷的定義。如圖4.13</p><p>　　圖4.13 定義子彈的速度</p><p>　　Step7網(wǎng)格的劃分（mesh）</p><p>　　從module下拉列表

93、中選擇mesh，進入mesh模塊，在環(huán)境欄中object中選著入射桿，單擊工具箱中的seed edge by number。選中入射桿的兩個長邊，單擊done，在命令行中輸入所要分成的段數(shù)200，回車，單擊done。同理，在入射桿的短邊撒上種子，段數(shù)為15。選擇單元類型：在mesh模塊中點擊assign mesh control，彈出mesh control對話框，在elementshape中選著quad-dominated選項、te

94、chnique中選擇structured，單擊ok結束?；氐絤esh模塊，執(zhí)行mesh part，在命令行中選擇yes，完成入射桿的網(wǎng)格劃分。</p><p>　　透射桿的網(wǎng)格劃分跟入射桿的一樣，子彈的網(wǎng)格劃分步驟跟入射桿的一樣，而其中的長邊種子的段數(shù)為40，短邊為8。靶和銅片采用的是seed part來劃分網(wǎng)格，其主要參數(shù)見圖4。14。</p><p><b>　　圖4.14

95、</b></p><p>　　試樣采用三角形網(wǎng)格對其進行了劃分，主要參數(shù)見圖4.15</p><p><b>　　圖4.15</b></p><p>　　網(wǎng)格劃分完成后的模型如圖4.16,4.17</p><p>　　圖4.16 Hopkinson拉桿底端網(wǎng)格的劃分</p><p>

96、;　　圖4.17 試樣處的網(wǎng)格劃分</p><p>　　Step 8 定義分析作業(yè)(job)</p><p>　　執(zhí)行job->create命令，彈出的對話框中，命名為lagan1，單擊continue按鈕，其余設置均為系統(tǒng)默認，單擊ok按鈕，完成作業(yè)定義。在job-manager對話框中單擊submit進行提交，作業(yè)計算完成單擊job manager對話框中的results按鈕進入

97、visualization模塊。</p><p>　　Step 9 結果分析與處理（visualization）</p><p>　　執(zhí)行工具箱中的plot contours on deformed shape ，顯示模型變形后的應力云圖，如圖4.18。執(zhí)行animate time history ，得到動態(tài)Hopkinson 桿發(fā)生變形的過程。圖4.19顯示了應力波傳到試樣的云圖<

98、/p><p>　　如圖4.18 應力波剛傳到試樣的云圖</p><p>　　如圖4.19 模型變形后最終的分析云圖</p><p>　　顯示入射桿上的應力與時間之間的關系圖和透射桿上的應力與時間之間的關系圖：點擊工具箱中的create x y data ，在彈出的對話框中選擇ODB field output，單擊continue，在x y data from

99、ODB field output 對話框中的variables中 選著s->s22，在element/nodes中，單擊edit selection ，選擇入射桿上的一個單元，以done結束。單擊add selection ，點擊edit selection ，選擇透射桿上的一個單元，以done結束。選中以上選擇的兩個單元，點擊 plot畫出其波形圖。如圖4.20</p><p>　　圖4.20 應力與時

100、間關系圖</p><p><b>　　問題回顧與總結</b></p><p>　　執(zhí)行工具箱中的Plot Contours On Deformed Shape ，顯示模型變形后的應力云圖，執(zhí)行Animate Time History ，得到SHTB發(fā)生變形的過程。圖4.21顯示了不同時刻鋁合金變形情況的應力云圖。該實驗采用高速套筒（子彈）撞擊入射桿的突出邊沿，在入射桿

101、內形成拉伸應力波（入射波）。試樣在入射桿和透射桿之間，一般采用的螺紋固定。在前方合理的位置放置吸收桿。在子彈撞擊入射桿后，在入射桿上形成應力波。當波傳給試樣后，一部分不發(fā)射回來形成反射波。而另一部分波繼續(xù)向前傳播，在透射桿上形成了透射波。當拉伸應力達到某一應力范圍內時，試樣會進入塑性變形區(qū)域。</p><p><b>　　圖4.21</b></p><p>　　圖4.

102、22為數(shù)值模擬擬合得到的應力時間曲線與實驗得到的應力時間曲線比較圖，有圖可以看出兩種曲線基本吻合。數(shù)值模擬的曲線與實驗得到的曲線大體變化趨勢相同，但人有些相差之處，主要有以下幾個方面：1.實驗取得的應力時間曲線與模擬得到的曲線相比，在入射波和發(fā)射波的端部會有部分高出。2.在整體上，實驗取得的數(shù)據(jù)震蕩比較紊亂，模擬的曲線震蕩更加的平和。3.但對于入射波，實驗做得曲線相對于模擬的曲線比較平穩(wěn)。造成這種差異的原因有兩方面：首先是波形整形器單元

103、尺寸與桿和子彈尺寸不相匹配產(chǎn)生的計算誤差，其次是波形整形器材料模型與實際有差異。</p><p>　　圖4.22 實驗得到的曲線和數(shù)值模擬得到的曲線相比較</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　影響材料的拉伸力學性能的因素有很多，其中溫度是影響金屬材料的力學性能的一個重要原因。本文首先介紹了溫度對高強高韌鋁合金的力學性能

104、的影響的研究背景和意義，指出了在高溫下，鋁合金材料的性能響應，與常溫下相比較，更為復雜；接著介紹了高強高韌鋁合金在不同溫度下的力學性能的研究現(xiàn)狀，指出了在常溫下，學者對高強高韌的鋁合金進行了很多研究，但在高溫下對鋁合金的研究比較少，進一步指出該研究的意義；最后介紹了本文所要研究的內容，擬解決的問題和研究的基本路線。</p><p>　　實驗材料的選擇對實驗的結果有著重要的影響。本次實驗采用的是高強高韌的7075、

105、2024鋁合金。該兩種鋁合金強度高，韌性好，抗腐蝕能力強，在許多工業(yè)領域有著廣泛的應用。在實驗研究方面，2024，,7075鋁合金力學性能對不同溫度，不同應變率也相當?shù)拿舾小?lt;/p><p>　　使用SHTB實驗裝置與MTS萬能試驗機住址分別對7075、2024鋁合金進行了不同溫度下的拉伸實驗，獲得了相應的應力應變曲線。通過高溫下鋁合金的力學性能和低溫下的性能相比較，分析得到鋁合金在高溫下的拉伸力學性能有著一定下

106、降:較早的進入塑性階段，頸縮、斷裂的發(fā)生也比常溫下來的更早。</p><p>　　基于許多學者的實驗研究基礎之上，收集相關實驗數(shù)據(jù)，學習鋁合金基本理論知識和ABAQUS建模軟件，對高基礎之上，收集相關實驗數(shù)據(jù)，學習鋁合金基本理論知識和ABAQUS建模軟件，對高強高韌的鋁合金的拉伸力學性能進行了數(shù)值模擬研究，將模擬計算結果和實驗結果進行對比，以便對其進一步分析。</p><p><b&

107、gt;　　展望</b></p><p>　　當今世界科技迅猛發(fā)展，國力的競爭實質上已演變成了科技實力的競爭，各國都在各個領域加強了科技研究，試圖增加本國產(chǎn)業(yè)的科技含量，惟恐在激烈的競爭中處于尷尬的地位。當今世界是和平的世界，但是還是隱藏著激烈的軍事競爭，特別是軍事方面的高科技成分，更是機密中的機密，直接決定著一個國家的軍事實力。所以一國在軍事方面的科技含量和其綜合國力關系甚大，有時直接決定一個國家在世

108、界上的話語權，對軍用材料的力學的特性的研究非常之廣，直接關系到軍用裝備的科技含量，是非常之重要的。</p><p>　　本文的研究主要工作是研究溫度對高強高韌鋁合金的拉伸力學性能的影響。通過實驗與理論分析的方法對鋁合金的拉伸力學性能進行的研究，本利用ABAQUS顯示動態(tài)分析對拉伸實驗進行的數(shù)值模擬。盡管得到一些結果，但仍然有很多方面需要進一步的研究：</p><p>　　本文工作主要是一實

109、驗為主對問題進行研究，理論分析和數(shù)學推理方面比較少，實驗和理論相結合，才能將問題分析的更加深入，透徹。此外，本文未涉及到金屬材料的微觀組織結構方面的實驗來探究溫度對晶粒影響，從而來影響材料的力學性能。</p><p>　　文章研究的是溫度對高強高韌鋁合金的拉伸力學性能影響。該論文僅僅從常溫和高溫兩方面來對鋁合金的拉伸性能進行研究，沒有涉及到低溫部分。隨著高強高韌的鋁合金材料應用的不斷深入，低溫條件下鋁合金的性能也

110、越來越受到人們的重視，這必將成為一個研究的趨勢。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳鼎，陳振華。鋁合金在低溫下的力學性能。《宇宙材料工藝》，2000年第4期，1-7</p><p>　　劉繼華，李荻，劉培英，郭寶蘭，朱國偉。時效和回歸處理對7075鋁合金及腐蝕性能的影響《材料熱處理學報》2002年3月第一期，5